[发明专利]一种弧板式防波堤结构受力的计算方法

摘要

本发明提供一种弧板式防波堤结构受力的计算方法，该方法利用PLIC‑VOF方法追踪流体自由表面，利用虚拟边界力法模拟波浪与弧板式防波堤之间的相互作用；同传统的弧板式防波堤受力计算方法相比较，本发明利用PLIC‑VOF方法追踪流体自由表面，能更加精确地刻画流体自由表面的位置；所采用的虚拟边界力法无需在弧板式防波堤表面布置物面边界条件，能够显著提高数值计算效率。

主权项

1.一种弧板式防波堤结构受力的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

a生成计算区域的矩形网格，对流场赋初始值；

b利用K‑ε湍流模型封闭雷诺时均N‑S方程组，作为本发明计算方法的控制方程；

c设置计算区域的造波边界条件、开边界条件、数值水槽上下边界条件；

d利用有限差分法离散控制方程，基于同位网格布置变量信息；

e根据速度、压强初始值，求出新时刻流场近似解，通过PISO算法一次预测、两次修正迭代调整压力，使得内部流体单元满足连续方程，自由表面单元满足自由表面动力边界条件，同时调整速度场；

f利用PLIC‑VOF方法追踪流体自由表面，根据上一时刻的流体体积函数F值和已知的速度场，求出新时刻的F值，据此确定流体自由表面的位置；

g采用虚拟边界力法模拟波浪与弧板式防波堤之间的相互作用；

h判断数值稳定条件和收敛条件，若满足，则输出压力场和速度场结果；

i重复上述c至h步骤所述过程，直至计算时间达到程序所设定的总时间。

2.根据权利要求1所述的一种基于PLIC‑VOF方法的弧板式防波堤受力计算方法，其特征在于，所述的雷诺时均N‑S方程组包括增加虚拟边界力项的水平方向时均动量方程1、竖直方向时均动量方程2和连续方程3；所述的K‑ε湍流模型由K方程4和ε方程5组成；

其中，u为x方向的速度分量，v为y方向的速度分量，t为计算时间，g_x为水平方向重力加速度，取值为零，g_y为垂直方向的重力加速度，取值为9.81N/kg，p为流体压力，ρ为流体密度，ν为流体运动粘滞系数，是紊动粘性系数，k为紊动动能，ε紊动耗散率；f_xvbf和f_yvbf分别为虚拟边界力在x和y方向的分量，θ为部分单元体参数，即结构物在整个网格单元中所占的面积与网格单元总面积的比值，范围在0～1之间；其它参数C_u＝0.09，C_ε1＝1.43，σ_k＝1.0，σ_ε＝0.1643，C_ε2＝1.92。

3.根据权利要求1所述的一种弧板式防波堤结构受力的计算方法，其特征在于，所述的同位网格是指所有参变量均定义在网格单元的中心点。参变量包括压力p_i,j、流体体积函数F_i,j、紊动动能K_i,j、紊动耗散率ε_i,j、水平方向u_i,j、竖直方向速度v_i,j，用下标(i，j)表示。与为网格单元右侧边界与上边界可通过流体部分的面积系数；VC_i,j是网格单元的体积系数。

4.根据权利要求1所述的一种弧板式防波堤结构受力的计算方法，其特征在于，所述的数值水槽上下边界条件均设为自由可滑移边界条件；上边界条件设置详见方程6，下边界条件设置详见方程7；

5.根据权利要求1所述的一种弧板式防波堤结构受力的计算方法，其特征在于，所述的利用有限差分法对控制方程进行离散，水平方向时均动量方程的差分格式详见方程8：

其中，FUX代表水平方向对流项，FUY代表竖直方向对流项，VISX和TUBX分别代表运动粘性项和紊动粘性项，f_xvbf为x方向的虚拟边界力项；

水平方向对流项边界网格点采用二阶中心差分格式见方程9和方程10；